(57)【要約】【課題】自然現象を活用して海藻類を生育させ、空気中の二酸化炭素を取り込むとともに、この海藻類を活用してメタノール、水素、二酸化炭素を製造、分離・回収するシステムを提供する。【解決手段】（Ａ）海藻類を集積、乾燥、粉砕する段階、（Ｂ）海藻類をガス化して、さらにメタノールとする段階、（Ｃ）；メタノール製造工程で発生する熱を利用して水蒸気と電力を発生させる段階、（Ｄ）；メタノールを用いて電力を発生させる段階、（Ｅ）；水の電気分解により水素と酸素を製造する段階、（Ｆ）；海水を淡水化する段階、（Ｇ）；二酸化炭素を分離・回収する段階、（Ｈ）；空気を分離して酸素を製造する段階、を含んでなっている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）；海洋中に生長した海藻類を集積、乾燥、粉砕する段階と、
（Ｂ）；前記粉砕された海藻類を、後記（Ｅ）段階からの酸素および後記（Ｃ）段階からの水蒸気とともに部分燃焼ガス化炉に供給してガス化し、これからメタノールを製造し、製造されたメタノールをメタノール・タンクに貯蔵する段階と、
（Ｃ）；前記部分燃焼ガス化炉で発生した熱を、後記（Ｆ）段階からの淡水を水蒸気とするに使用し、この水蒸気をタービン発電設備に供給して電力を発生させ、かつ水蒸気を前記（Ｂ）段階の部分燃焼ガス化炉に供給する段階と、
（Ｄ）；前記（Ｂ）段階で製造されたメタノールを用いた燃料電池、および／または前記（Ｂ）段階からのメタノールを燃焼させたガスタービンおよび／または蒸気タービンにより電力を発生させる段階と、
（Ｅ）；前記（Ｃ）および／または（Ｄ）段階で発生した電力を用いて、海水および／または淡水を電気分解して水素と酸素を製造し、水素は水素タンクに、酸素は酸素タンクにそれぞれ貯蔵する段階と、
（Ｆ）；前記（Ｃ）および／または（Ｄ）段階で発生した電力を用いて、海水を淡水化して淡水タンクに貯蔵する段階と、
（Ｇ）；前記（Ｃ）および／または（Ｄ）段階で発生した電力を用いて、前記（Ｂ）段階のメタノール製造工程で発生した二酸化炭素を分離・回収して二酸化炭素タンクに貯蔵する段階と、
（Ｈ）；前記（Ｃ）および／または（Ｄ）段階で発生した電力を用いて、酸素を製造して酸素タンクに貯蔵する段階と、
を含んでなることを特徴とする海洋プランテーション。
【請求項２】
（Ａ）；海洋中に生長した海藻類を集積、乾燥、粉砕する段階と、
（Ｂ）；前記粉砕された海藻類を、後記（Ｃ）段階からの水蒸気を亜臨界水状態にして少なくとも２基の低温ガス化炉のそれぞれに供給し、前記少なくとも２基の低温ガス化炉は互いに異なる反応条件で金属触媒の存在下に反応させて水素と二酸化炭素を主に含むガスと、メタンと二酸化炭素を主に含むガスをそれぞれ生成させ、前記メタンを水蒸気改質して一酸化炭素と水素にした後、メタノールを製造し、製造されたメタノールをメタノール・タンクに貯蔵する段階と、
（Ｃ）；前記（Ｂ）段階で発生する低温ガス化炉残渣を廃液混焼ボイラーで燃焼させて発生した熱を、後記（Ｆ）段階からの淡水を水蒸気とするに使用し、この水蒸気を前記（Ｂ）段階の低温ガス化ガス化炉に供給する段階と、
（Ｄ）；前記（Ｂ）段階で製造されたメタノールを用いた燃料電池、および／または前記（Ｂ）段階からのメタノールを燃焼させたガスタービンおよび／または蒸気タービンにより電力を発生させる段階と、
（Ｅ）；前記（Ｄ）段階で発生した電力を用いて、海水および／または淡水を電気分解して水素と酸素を製造し、水素は水素タンクに、酸素は酸素タンクにそれぞれ貯蔵する段階と、
（Ｆ）；前記（Ｃ）および／または（Ｄ）段階で発生した電力を用いて、海水を淡水化して淡水タンクに貯蔵する段階と、
（Ｇ）；前記（Ｃ）および／または（Ｄ）段階で発生した電力を用いて、前記（Ｂ）段階のメタノール製造工程で発生した二酸化炭素を分離・回収して二酸化炭素タンクに貯蔵する段階と、
を含んでなることを特徴とする海洋プランテーション。
【請求項３】
前記（Ａ）段階の海藻類は、水深２００〜１，０００ｍからの中層域の海水を汲み上げられて混合されるとともに、鉄および／または鉄化合物が加えられた海洋表層水において、前記中層域の海水を汲み上げる複数個の揚水管と複数個のブイからなるネット状結合体に固定された海藻類生育用網で生育されたものであることを特徴とする請求項１または２記載の海洋プランテーション。
【請求項４】
前記中層域の海水の汲み上げは、（ａ）熱伝導性材料でできた中空パイプを準備し、（ｂ）前記中空パイプを中層域の海水で満たし、（ｃ）前記中空パイプの少なくとも一端を封止し、（ｄ）前記中空パイプの一端を表層水領域に、他端を中層域にあるように略鉛直に配置し、（ｅ）前記中空パイプ内外の海水温度が平衡になるまで放置し、（ｆ）前記封止部を解除する、からなる段階を経て設置され、かつ表層域にある前記中空パイプの端部は山形の笠で覆われた揚水管によることを特徴とする請求項３記載の海洋プランテーション。
【請求項５】
前記海洋表層水には、さらにカルシウム化合物および／またはケイ素化合物が加えられることを特徴とする請求項３記載の海洋プランテーション。
【請求項６】
前記海藻類生育用網は、天然由来の素材からなり、前記海藻類とともに集積、乾燥、粉砕されることを特徴とする請求項３記載の海洋プランテーション。
【請求項７】
前記（Ｄ）段階の燃料電池は、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）方式または固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）であることを特徴とする請求項１または２記載の海洋プランテーション。
【請求項８】
前記（Ｆ）段階の海水淡水化は、逆浸透（ＲＯ）法を用いて行うことを特徴とする請求項１または２記載の海洋プランテーション。
【請求項９】
前記（Ｇ）段階の二酸化炭素の分離は、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）または圧力温度スイング法（ＰＴＳＡ）を用いて行うことを特徴とする請求項１または２記載の海洋プランテーション。
【請求項１０】
前記（Ｈ）段階の酸素製造は、深冷空気分離方式を用いて行うことを特徴とする請求項１記載の海洋プランテーション。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気中の二酸化炭素を捕捉し、これを資源としてメタノール、水素を製造し、さらに二酸化炭素を分離・回収する海洋プランテーションに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、二酸化炭素をはじめとする温室効果ガスの大気中濃度が増加して、地球上の気候や生態系に大きな影響を与えることが懸念されている。すなわち、地球上の炭素は大気圏、海洋圏、陸上生物圏に分布してこれらの間でバランスされてきたが、地球上に人間が出現して以来、火を使い、さらに産業の勃興など人間の活動により多量の二酸化炭素が排出されてこのバランスが崩れているのがその理由である。
【０００３】
そこで、世界的なレベルで二酸化炭素の排出を抑制して大気中の二酸化炭素濃度を減らそうと、人間の活動を規制し、陸地の植物の保護を図る一方で、海洋による貯蔵量を上げることが望まれるようになった。大気中の二酸化炭素濃度を減少させるには、二酸化炭素を発生する装置毎に、二酸化炭素を固定化させる装置を設けて大気への放出を抑えることが行われているが、特定設備によるだけでは問題の解決に限界があり、積極的に大気中の二酸化炭素を減らす方法が探索されている。例えば、海洋に鉄を散布して植物プランクトンの生育を活発にして二酸化炭素の取込み量を増す方法〔例えば、非特許文献１参照〕、海洋深層水を汲み上げ空中から海面に散布して深層水の持つ溶解力により二酸化炭素を吸着させる方法〔例えば、特許文献１参照〕、藻類を培養する事により、大気中の二酸化炭素を減少させる二酸化炭素減少装置〔例えば、特許文献２参照〕、海洋生態系等の水中の生態系を有効利用するために太陽光線集光装置を内部に保持して水中にて散光する水中光合成装置〔例えば、特許文献３参照〕などの提案がある。しかし、二酸化炭素を海水に溶解させるだけでは、再び大気中に発散され、海藻類による取り込みもバクテリアによる酸化分解により大気に発散してしまうので長期的な広い視野からみれば解決にはなっていない。しかも、海中生物の培養を行う方法は地球規模でみればその能力に限界があり、逆に赤潮など別の問題を起こす原因となった。
【０００４】
【非特許文献１】宗林由樹、バイオサイエンスとインダストリー、６０巻、８号、５２７−５３０頁、バイオサイエンス協会、２００２年８月
【特許文献１】特開２０００−２６２８８８号公報
【特許文献２】特開平１１−８９５５５号公報
【特許文献３】特開平５−２１９９３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
かかる問題点に鑑み、本発明の目的は、浮力や光合成などの自然現象を活用して海洋中に海藻類を生育させて空気中の二酸化炭素を取り込むことにより、この海藻類を活用してメタノール、水素の形態で取り出すとともに、メタノール製造工程で生成される二酸化炭素を分離・回収するシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を達成すべく、請求項１の発明は海洋プランテーションに係り、（Ａ）；海洋中に生長した海藻類を集積、乾燥、粉砕する段階と、（Ｂ）；前記粉砕された海藻類を、後記（Ｅ）段階からの酸素および後記（Ｃ）段階からの水蒸気とともに部分燃焼ガス化炉に供給してガス化し、これからメタノールを製造し、製造されたメタノールをメタノール・タンクに貯蔵する段階と、（Ｃ）；前記部分燃焼ガス化炉で発生した熱を、後記（Ｆ）段階からの淡水を水蒸気とするに使用し、この水蒸気をタービン発電設備に供給して電力を発生させ、かつ水蒸気を前記（Ｂ）段階の部分燃焼ガス化炉に供給する段階と、（Ｄ）；前記（Ｂ）段階で製造されたメタノールを用いた燃料電池、および／または前記（Ｂ）段階からのメタノールを燃焼させたガスタービンおよび／または蒸気タービンにより電力を発生させる段階と、（Ｅ）；前記（Ｃ）および／または（Ｄ）段階で発生した電力を用いて、海水および／または淡水を電気分解して水素と酸素を製造し、水素は水素タンクに、酸素は酸素タンクにそれぞれ貯蔵する段階と、（Ｆ）；前記（Ｃ）および／または（Ｄ）段階で発生した電力を用いて、海水を淡水化して淡水タンクに貯蔵する段階と、（Ｇ）；前記（Ｃ）および／または（Ｄ）段階で発生した電力を用いて、前記（Ｂ）段階のメタノール製造工程で発生した二酸化炭素を分離・回収して二酸化炭素タンクに貯蔵する段階と、（Ｈ）；前記（Ｃ）および／または（Ｄ）段階で発生した電力を用いて、酸素を製造して酸素タンクに貯蔵する段階と、を含んでなっている。
【０００７】
請求項２の発明は海洋プランテーションに係り、（Ａ）；海洋中に生長した海藻類を集積、乾燥、粉砕する段階と、（Ｂ）；前記粉砕された海藻類を、後記（Ｃ）段階からの水蒸気を亜臨界水状態にして少なくとも２基の低温ガス化炉のそれぞれに供給し、前記少なくとも２基の低温ガス化炉は互いに異なる反応条件で金属触媒の存在下に反応させて水素と二酸化炭素を主に含むガスと、メタンと二酸化炭素を主に含むガスをそれぞれ生成させ、そのメタンを水蒸気改質して一酸化炭素と水素にした後メタノールを製造し、製造されたメタノールをメタノール・タンクに貯蔵する段階と、（Ｃ）；前記（Ｂ）段階で発生する低温ガス化炉残渣を廃液混焼ボイラーで燃焼させて発生した熱を、後記（Ｆ）段階からの淡水を水蒸気とするに使用し、この水蒸気を前記（Ｂ）段階の低温ガス化ガス化炉に供給する段階と、（Ｄ）；前記（Ｂ）段階で製造されたメタノールを用いた燃料電池、および／または前記（Ｂ）段階からのメタノールを燃焼させたガスタービンおよび／または蒸気タービンにより電力を発生させる段階と、（Ｅ）；前記（Ｄ）段階で発生した電力を用いて、海水および／または淡水を電気分解して水素と酸素を製造し、水素は水素タンクに、酸素は酸素タンクにそれぞれ貯蔵する段階と、（Ｆ）；前記（Ｃ）および／または（Ｄ）段階で発生した電力を用いて、海水を淡水化して淡水タンクに貯蔵する段階と、（Ｇ）；前記（Ｃ）および／または（Ｄ）段階で発生した電力を用いて、前記（Ｂ）段階のメタノール製造工程で発生した二酸化炭素を分離・回収して二酸化炭素タンクに貯蔵する段階と、を含んでなっている。
【０００８】
請求項３は請求項１または２記載の海洋プランテーションに係り、（Ａ）段階の海藻類は、水深２００〜１，０００ｍからの中層域の海水を汲み上げられて混合されるとともに、鉄および／または鉄化合物が加えられた海洋表層水において、前記中層域の海水を汲み上げる複数個の揚水管と複数個のブイからなるネット状結合体に固定された海藻類生育用網で生育されたものである。
【０００９】
請求項４は請求項３記載の海洋プランテーションに係り、前記中層域の海水の汲み上げは、（ａ）熱伝導性材料でできた中空パイプを準備し、（ｂ）前記中空パイプを中層域の海水で満たし、（ｃ）前記中空パイプの少なくとも一端を封止し、（ｄ）前記中空パイプの一端を表層水領域に、他端を中層域にあるように略鉛直に配置し、（ｅ）前記中空パイプ内外の海水温度が平衡になるまで放置し、（ｆ）前記封止部を解除する、からなる段階を経て設置され、かつ表層域にある前記中空パイプの端部は山形の笠で覆われた揚水管によっている。
【００１０】
請求項５は請求項３記載の海洋プランテーションに係り、前記海洋表層水には、さらにカルシウム化合物および／またはケイ素化合物が加えられることからなっている。
【００１１】
請求項６は請求項３記載の海洋プランテーションに係り、前記海藻類生育用網は、天然由来の素材からなり、前記海藻類とともに集積、乾燥、粉砕されることからなっている。
【００１２】
請求項７は請求項１または２記載の海洋プランテーションに係り、（Ｄ）段階の燃料電池は、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）方式または固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
【００１３】
請求項８は請求項１または２記載の海洋プランテーションに係り、（Ｆ）段階の海水淡水化は、逆浸透（ＲＯ）法を用いて行うことからなっている。
【００１４】
請求項９は請求項１または２記載の海洋プランテーションに係り、（Ｇ）段階の二酸化炭素の分離は、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）または圧力温度スイング法（ＰＴＳＡ）を用いて行うことからなっている。
【００１５】
請求項１０は請求項１記載の海洋プランテーションに係り、（Ｈ）段階の酸素製造は、深冷空気分離方式を用いて行うことからなっている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の海洋プランテーションは、空気中の二酸化炭素を取り込むことにより大気中の二酸化炭素濃度を減少させる吸収源対策に寄与するとともに、自然の力を利用してメタノール、水素を製造して二酸化炭素の発生を抑制する排出抑制対策にも寄与することができることから、地球が直面している温室効果ガス削減対策の本質的な解決策を提供することになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、海洋で自然の力を得て大型海藻類を生育させ、これを収穫してバイオマス原料としてメタノール、水素の製造に利用することにその特徴があり、（Ａ）海藻類を集積、乾燥、粉砕する段階、（Ｂ）海藻類をガス化してメタノールとする段階、（Ｃ）；メタノール製造工程で発生する熱を利用して水蒸気と電力を発生させる段階、（Ｄ）；メタノールを用いて電力を発生させる段階、（Ｅ）；水の電気分解により水素と酸素を製造する段階、（Ｆ）；海水を淡水化する段階、（Ｇ）；二酸化炭素を分離・回収する段階、（Ｈ）；空気を分離して酸素を製造する段階、を含んでなっている。
【００１８】
（Ａ）海藻類を集積、乾燥、粉砕する段階：
本発明は、海藻類を集積してこれを利用するものであるが、海藻類は海洋中に海藻類の生育環境を作り生育を助長させるのがよい。
【００１９】
海洋における光が届く「表層域」の海中では、植物プランクトンの光合成活動が活発に行われて繁殖し、この植物プランクトンを餌にしてさまざまな動物プランクトンが、さらに食物連鎖によって魚などの動物が繁殖している。植物プランクトンは、溶存している栄養塩（硝酸塩、リン酸塩、ケイ酸塩など）を使い尽くすまで増殖するので、表層域では栄養塩の濃度がほとんどゼロとなっている海域があり、この状況は「海の砂漠」と呼ばれている。一方、それより下層の中層域では、表層域での動物プランクトンの死骸、さらに魚などの動物の糞や死骸が沈降してその有機物が微生物により分解されて、所謂栄養塩が豊富となり、さらに下の深層域では酸素がなくなることで栄養塩も少ない状態になっている。特に、上記「海の砂漠」と呼ばれている海域では、有光層下部に温度躍層が発達しており、栄養塩に富んだ中層域の海水が表層域の海水と交換できない状態になっている。
【００２０】
従って、豊富な栄養塩をもつ有光層下部にある中層域の海水を表層に汲み上げて表層域に栄養塩を供給し、鉄および／または鉄化合物、さらに必要によりカルシウム化合物、ケイ素化合物を加え、かつ海藻類生育用網を設置して海藻類を生育させるのがよい。
【００２１】
表層域、中層域の区分けは、地球上の海洋域、季節によっても変り厳密なものではないが、本発明においての表層域は、海洋表面〜水深約２００ｍの有光層領域であり、中層域は、水深約２００〜１，０００ｍの光はないが酸素を含みバクテリアが有機物を酸化分解できる領域である。
【００２２】
中層域の海水を表層域に汲み上げる方法は、海上での実施であること、二酸化炭素の削減を考慮すれば自然の力、例えば太陽熱、風力、海水温度差などを利用するのが好ましい。このうち、特に好ましい形態は、海水温度差を利用したもので、特許文献〔特開２００１−３３６４７９号公報〕に記載されている方法であり、熱伝導性材質でできた中空パイプを揚水管として用い、最初に中空パイプを中層域の海水で満たし、中空パイプの少なくとも一端を封止してから、一端を表層域に、他端は中層域にあるように略鉛直に配置し、中空パイプ内外の海水温度が平衡になるまで放置し、然る後封止部を解除する方法で設置する。このようにして設置した以後は、周囲の相対的に温度の高い海水と熱交換して揚水管内部にある中層域の海水の温度が上昇する。すなわち、中層域の海水は、表層域の海水より塩分濃度が低いので表層域の海水と同じ温度であれば比重が小さくなるので、浮力が生じて上昇し、揚水管上端部より表層域の海水中に拡散して、中層域の海水が汲み上げられることになる。しかし、揚水管に表層域の海水が入るとこの流れが止まるので、揚水管上端部は山形の笠で覆うなど、波浪が激しくなったときにも揚水管に表層域の海水が入らないようにすることが必要である。この中層域の海水汲み上げは、太陽光による熱エネルギーを駆動エネルギーとしているので、それ以外の動力なしで続けることができる。この方法で、パイプ内の海水上昇速度は大略１１ｍ／日であり、直径１ｍの揚水管では８．６ｍ３／日の中層域の海水が汲み上げられることになる。
【００２３】
本発明の海洋プランテーションについて、その構成の一例を示すと、２０ｍ×２０ｍを基本の１モジュールとし、２，５００モジュールを１ユニット（１Ｋｍ×１Ｋｍ）、さらに１００ユニットをもって１つのブロック、１０ブロックをもって１つのグループ、１０グループをもって１つの海洋プランテーションとするもので、これで一つの海洋プランテーションは１万Ｋｍ２となる。この大きさ、モジュールの構成は全く実行上の問題であり、任意に決められるものであることはいうまでもない。
【００２４】
図１、２は、海洋プランテーションにおける中層域の海水を汲み上げる揚水管、およびその周囲の形態を説明する図である。この実施の形態では、複数個の揚水管と複数個のブイをロープで結んだネット状結合体で構造補強して、２０ｍ×２０ｍの区画を１モジュールとし、その中に１０ｍ×１０ｍの４区画に分けてモジュールの四隅および中央部に揚水管を配置した。そのうちの２区画は空間部であり、魚類など大型動物が自由に動ける領域とし、他の２区画は、海藻類生育用網を張ってある。この形態では、ネット状結合体の１モジュールに揚水管を２本持つことになるので、１モジュールで１７ｍ３／日の中層域の海水が汲み上げられて混合されることになる。
【００２５】
ネット状結合体に設置するブイは任意に設置されるが、例えば浮力ブイと浮力調整ブイにより揚水管上端部を海表面から１０〜２０ｍ下にするように浮遊させる。揚水管は、海表面の波動と浮力調整ブイの作用によって適度に上下運動され、揚水管内外の熱伝導を促進させる。一方、波浪が激しくなったときには、各浮力調整ブイには不均等な浮力を発生させることから、ネット状結合体が激しい上下運動を軽減するダイナミック・ダンパーの役割を果たし、揚水管が互いに保持されることになる。
【００２６】
前記の揚水管を結合したネット状結合体は、浮力用ブイにより海表面から１０〜２０ｍ下の海中に確保され、海藻類生育用網が設置されて海藻類を繁殖させることができる。海藻類は、収穫して人の食料として、あるいは特定の栄養素の抽出源として利用できるが、本発明では海藻類をバイオマスとしてエネルギー源とすることを趣旨としている。
【００２７】
本発明は表層域における生物活動を活発にするために、表層域の海水中に、中層域の海水とともに鉄および／または鉄化合物が加えられる。鉄および／または鉄化合物は、水中で２価鉄イオンを生成するものが好ましく、鉄、酸化鉄、硫酸鉄、塩化鉄、硝酸鉄などである。鉄、酸化鉄は、海水中で、特に海水中の塩素イオンにより２価鉄イオンを生成する。添加量は、表層域の海水中の鉄分を測定して、植物プランクトンに取込まれていないで海水中に鉄分（２価鉄）が残存しているようにすればよいが、実行上は海洋面積１Ｋｍ２あたり０．０５〜１０ｇ／日程度である。
【００２８】
鉄は、クロロフィルの構成元素で、植物プランクトンにとっては、微量ではあるが増殖には不可欠である。上記のように中層域の海水により栄養塩を補給された海洋は、鉄分を加えられることで植物プランクトンの活動が活発になる。
【００２９】
表層水中には、さらにカルシウム化合物および／またはケイ素化合物が任意に加えられる。カルシウム化合物、ケイ素化合物の形態は、海水に溶解し易い化合物、あるいは微細な粉末にして加える。海水に溶解したカルシウム化合物は、塩化カルシウム、硫酸カルシウム、酸化カルシウム、水酸化カルシウムなどであり、海水中の二酸化炭素と結合しそのまま沈降、あるいは動物プランクトンに取り込まれる。海水に溶解しないカルシウム化合物は、酸化カルシウムなどであり、微細粉末状で海水とともに動物ブランクトン体内に取込まれ、体内で二酸化炭素と結合していく。ケイ素化合物は、二酸化ケイ素などであり、水に難溶解性であり、微細な粉末にして加える。ケイ素化合物は、これ自体二酸化炭素と反応するものではないが、カルシウム化合物とともに動物プランクトンに取込まれ、海底への沈降を促進する。また、メタケイ酸カルシウム（ＣａＳｉＯ３）、ケイ酸カルシウム（Ｃａ２ＳｉＯ４）、二ケイ化カルシウム（ＣａＳｉ２）のようにカルシウムとケイ素からなる化合物でもよい。また、炭酸カルシウムは、これ自体二酸化炭素と結合する余地はないが、動物プランクトンの構成元素を供給していくという見地からは使用できるものである。
【００３０】
鉄および／または鉄化合物、カルシウム化合物、ケイ素化合物の海水への添加方法は、特に限定するものではないが、海上で、しかも無人の環境で操作することを考慮すれば、これらの化合物を徐々に放出する形態がよい。具体的には、これらの化合物を含み、海水中で徐々に崩壊あるいは溶解する凝結材で固めて固形物に成型し、海藻類生育用網などに取付けて海水中に浸漬しておく。固形物にするための凝結材は、無機化合物でもよく、あるいは有機の高分子化合物でもよい。このとき、鉄化合物、カルシウム化合物、ケイ素化合物を、それぞれ別々の固形物としてもよく、あるいは２つ以上を組み合わせた固形物にしてもよい。
【００３１】
海藻類生育用網は、稲藁、麦藁、麻、木綿などの天然由来の素材を用いたとき海藻類とともに集積され、海藻類と一緒に乾燥、粉砕されてメタノールの製造の原料とすることができ好ましい。これにより、海藻類集積作業の省力化と再資源化を図ることができる。
【００３２】
生育された海藻類を集積する方法は、任意に選ばれるが、前記実施の形態では２０ｍ×２０ｍ毎を基本モジュール単位とした海藻類生育用網を固定部位からはずし、これを小型作業船で海中を曳引して処理船にまで運び、処理船において一括処理するのが便利である。海藻類の付いた海藻類生育用網をはずした後には、別の海藻類生育用網を設置して再度海藻類の付着、生育を待つことになる。
【００３３】
集積された海藻類、さらに海藻類生育用網が天然由来の素材である場合には海藻類生育用網も一緒にして（以降、まとめて「海藻類」と記す）、これらを乾燥、粉砕する。以降の段階は、海藻類をバイオマスとして、メタノール、水素を製造、および二酸化炭素を分離・回収する段階である。海藻類の乾燥、粉砕を含めて以降の段階は、陸地で行ってもよいが、海藻類の生育する場所が陸地から離れた海洋上である場合には、大型船上に下記に述べる諸設備を設けて実施し、製品であるメタノール、水素、二酸化炭素を陸地に運ぶ方式とすることができる。本発明の海洋プランテーションにおける実施の形態を示す全体の流れを図３に示した。
【００３４】
（Ｂ）海藻類をガス化してメタノールとする段階：
この段階の前半は海藻類をガス化（合成ガスの製造）し、後半はこの合成ガスからメタノールを製造してメタノール・タンクに貯蔵する段階である。ガス化は、部分燃焼ガス化炉あるいは低温ガス化炉で行われる。
【００３５】
部分燃焼ガス化炉は、例えば噴流床方式のガス化炉であり、粉砕された海藻類を、酸素および水蒸気とともにガス化炉に供給して、その一部を燃焼させながら加熱する。部分燃焼方式により、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）、タール、二酸化炭素（ＣＯ２）を発生させる。このうちタールは、水と反応して水素と一酸化炭素に分解される。合成ガスの生成は、水蒸気改質反応〔吸熱反応、式（１）〕と、これと一部水性ガス反応〔発熱反応、式（２）〕を行わせる反応で、メタノール合成の原料となる水素と一酸化炭素を多量に含んだ高カロリーの合成ガスが得られることから本発明の海洋プランテーションには適している。
【００３６】
【化１】
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【００３７】
すなわち、海藻類を原料としてその一部は燃焼（酸素との反応）させて発熱させ、所定の雰囲気温度を維持させながら残りの海藻類を熱分解していく。この２つの反応によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素が混合して生産される。生成ガスの成分構成は工程条件により変わるが、大略、一酸化炭素／水素／二酸化炭素＝０．９９〜１．０／１．８〜２．２／１（モル比）である。そこで、発生する水素と一酸化炭素の比を２：１（モル比）に制御してメタノール製造工程に送り、銅−亜鉛−クロム系触媒などの存在下でメタノールが製造される。この反応は、次式に示される発熱反応である。
【００３８】
【化２】
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【００３９】
低温ガス化炉による場合は、粉砕した海藻類を低温ガス化炉に投入し、Ｎｉ等の金属触媒の存在下に亜臨界水状態の水蒸気と反応させることにより海藻類を分解させることができる。この反応は、例えば温度３５０℃、圧力１８Ｍｐａでは水素と二酸化炭素を多量に含んだガスが得られ、反応温度４００℃、圧力１３ＭＰａでは、メタンと二酸化炭素を多量に含んだガスが得られることが知られている。従って、運転条件の異なる少なくとも２基の低温ガス化炉を用意し、一方で水素を主とするガスを、他方でメタンを主とするガスを生成させ、そのメタンを水蒸気改質して一酸化炭素と水素にした後メタノールを製造する。さらに、その際に発生する反応残渣は、廃液混焼ボイラーの燃料として用いることができるので廃液処理を行うことができ、同時に燃焼熱を水蒸気エネルギーとして回収することもできる。この場合は、（Ｈ）の空気を分離して酸素を製造する段階を省略することができる。
【００４０】
本発明の海洋プランテーションにおいては、後記（Ｅ）段階から酸素、（Ｃ）段階から水蒸気を受けて海藻類を燃焼させてガス化し、生成した水素、一酸化炭素、二酸化炭素から触媒の存在下にメタノールを製造する。このとき部分燃焼方式によれば、海藻類の約３０％（重量）を燃焼させて、その熱で残りの原料を熱分解する部分燃焼方式によりメタノールの製造に向け、収率５０％以上でメタノ−ルを得ることができる。この段階で製造されたメタノールは、メタノール・タンクに貯蔵され、次の（Ｄ）段階における電力発生に、さらに本発明海洋プランテーションの維持管理や海藻類を集積する作業を行うための小型作業船などの動力源として使われ、残りの分は本発明海洋プランテーションの製品として出荷される。
【００４１】
（Ｃ）メタノール製造工程で発生する熱を利用して電力を発生させる段階：
（Ｂ）段階で部分燃焼ガス化炉を採用した場合には、部分燃焼ガス化炉に廃熱回収タービン発電設備を設置して、ガス化炉の熱を利用して発生させた水蒸気をこのタービン発電設備に供給して電力を発生させることができる。ガス化炉の出口温度は約９００℃と比較的に高温であることから、後記する（Ｆ）段階で製造した淡水を供給して廃熱回収ボイラーで水蒸気を発生させ、これを例えば抽気復水タービン発電設備に供給して発電する。また、メタノール合成反応は発熱反応であるため、二重管式縦型反応器に冷却水として給水することにより水蒸気を発生させてタービン発電設備に供給することにより、反応により生じる反応熱を回収することができる。抽気した水蒸気はガス化炉に供給され、また発電機からの電力は、本発明の海洋プランテーションの各所で用いられる。尚、タービン出口の復水器用の冷却水は、（Ｆ）段階で製造される淡水などを用いることができる。
【００４２】
（Ｄ）メタノールを用いて電力を発生させる段階：
この段階は、本発明の海洋プランテーション全体に必要な電力を確保することにある。電力の発生は、太陽光発電、風力発電、海洋温度差発電など自然のエネルギーを用いた発電システムが可能であるが、充分量の電力を安定的に確保するには、（Ｂ）段階で製造されたメタノールを用いて電力を発生させるのがよい。
【００４３】
メタノールを用いての電力は、例えば、燃料電池、メタノールを燃焼させたガスタービンおよび／または蒸気タービンによる発電があり、特に燃料電池が適している。燃料電池の型式は、例えば溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ；Ｍｏｌｔｅｎ  ｃａｒｂｏｎａｔｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）方式、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）などが採用できる。
【００４４】
ＭＣＦＣ方式は、空気極に空気と二酸化炭素の混合ガスを、燃料極に水素を供給して、空気極では空気中に混合された二酸化炭素が外部回路から電子を得て炭酸イオンとなり、電解質中を燃料極側に移動し、燃料極では燃料ガスとして供給された水素と一酸化炭素と反応して二酸化炭素と水蒸気を生成するとともに、電子を外部に放出することからなっている。ＭＣＦＣ燃料電池は、メタノールを例えばＣｕ−Ｚｎ系触媒の存在下で２００〜３００℃にした改質器で水素を含む改質ガスとし、これを燃料電池に送り込む。この燃料電池による電力発生システムでは、水素の他、一酸化炭素、二酸化炭素も発生することになるが、ＭＣＦＣ方式のような高温作動の燃料電池では、二酸化炭素も発電反応に資する燃料となるため、一般的に一酸化炭素変成器や一酸化炭素除去器を必要としない利点がある。ＭＣＦＣ燃料電池は、発電効率が高く、動作温度が６００〜７００℃と高温であるので、燃料電池の内部で発生した熱と水蒸気を利用してメタノールを改質する内部改質方式を採用することも選択可能であり、システムの簡素化や電池冷却動力の低減が期待できる。また、排熱の温度も高く、熱を利用するコジェネレーションシステムの構築が可能となる有利さがある。
【００４５】
ＳＯＦＣ燃料電池は、セルが固体酸化物であるセラミックスで構成され、安定性に優れ、他の燃料電池と比べ発電効率が高く、環境性にも優れているという特徴がある。加えて、作動温度が高いために排ガスによる複合発電で効率を高めることが可能である。
【００４６】
本発明の海洋プランテーションにおける実施の形態では、１グループの所要電力が６０ＭＷ程度であるので、定格出力２０ＭＷの燃料電池を３基設置し台数制御ができるようにすることが望ましい。電力は、燃料電池以外にも、メタノールを燃焼させるガスタービンや蒸気タービンをエネルギー源として、さらに（Ｃ）段階で述べたタービン発電設備からも発生させることができる。本発明の海洋プランテーションでは、燃料電池を含めて各設備の発電量を制御しての高効率化を図ることができる。
【００４７】
（Ｅ）水の電気分解により水素と酸素を製造する段階：
海水あるいは（Ｆ）段階で製造された淡水は、（Ｃ）段階、（Ｄ）段階から供給される電力を用いて電気分解されて酸素、水素を製造することが出来る。製造された酸素は（Ｂ）段階のメタノール製造用の部分燃焼ガス化炉に供給され、水素は（Ｄ）段階の燃料電池で使用され、必要により（Ｂ）段階で生成される合成ガスに添加されてメタノール生成に使用される。残った水素は水素タンクで高圧にして貯蔵され海洋プランテーションの製品として出荷される。燃料電池は、起動に時間を要したり部分負荷運転では効率が落ちることがあることから、通常の運転は定格出力運転を行うようにして、全体の電力バランスから生じる余剰電力は水の電気分解に向けるなどして電力の使用効率を上げることができる。
【００４８】
（Ｆ）海水を淡水化する段階：
海水の淡水化は、例えば逆浸透（ＲＯ）法を用いることができる。特に高効率２段逆浸透（ＲＯ）法は、使用エネルギーが少なく、運転の維持管理が容易であり、さらに装置も比較的小さく済むという利点があり、本発明の海洋プランテーションには適している。高効率２段逆浸透（ＲＯ）法では、砂ろ過して海水中の汚れを除いた後８〜９ＭＰａの高圧にして、ＲＯ膜に供給する。これで供給海水の６０％（従来プロセスの約１．５倍）が淡水として回収され、残りの海水は高圧で膜モジュールから排出されるので、回収タービンのエネルギー源として利用可能である。この段階で製造された淡水は、（Ｂ）段階のメタノール合成反応器の冷却水、（Ｃ）段階のタービン発電設備、（Ｄ）段階の燃料電池の改質設備などで利用され、その他本発明海洋プランテーションにおける洗浄水、運転に携わる人の生活用水などに向けられる。
【００４９】
（Ｇ）二酸化炭素を分離・回収する段階：
メタノール製造工程で生成した二酸化炭素は、比較的高圧高濃度であるので、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）または圧力温度スイング法（ＰＴＳＡ）などの物理的吸収法を用いて分離・回収するのがよい。
【００５０】
（Ｈ）空気を分離して酸素を製造する段階：
（Ｂ）段階で部分燃焼ガス化炉を採用した場合に必要な酸素であり、連続的に大量に製造する必要があることから深冷空気分離方式により製造されるのが好ましい。本発明の海洋プランテーションでは、海藻類から合成ガスを製造するに使用できればよく、それほど高純度の酸素は要求されない。モレキュラシーブを用いる圧力スイング吸着（ＰＳＡ）方式で空気から酸素を分離してもよく、この方法は小型で投資額が小さく操作が容易なことを考慮すれば、メタノール製造プロセスのスタート・アップ時や深冷空気分離方式の酸素製造設備のバックアップ用に用いることができる。
【００５１】
以上、本発明の海洋プランテーションの各機能を説明した。上記以外に、さらに海洋プランテーション周辺海域の海洋情報、生態系の現況把握、将来予測をする段階を適宜組み入れて海洋プランテーションの操業を行うのがよい。例えば、データ同化手法を用いた海洋予報システム、海洋生態系環境影響予報・評価システムを連携して活用する方法は、最近の技術進歩の著しい計算機科学を活用したモデル＆シミュレーション技法を用いるものであり、三次元的に広がる海表面並びに表層域、中層域、深層域の海洋情報および生態系の現況把握並びに２ヵ月程度先までの将来予測をする手段を与えることが可能になる。
【００５２】
海洋プランテーションでは設置面積が広大であることから、海洋プランテーション全域の海藻類の生育状況を、人間の経験や勘に頼ることには限界がある。一方、海洋プランテーション全域を効率的に管理運用する上から、海藻類の生育状況や周辺海域の生態系に関して科学的手法を導入して現況把握並びに将来予測をすることは必要不可欠である。従って、２ヵ月程度先までの周辺海域の海洋予報結果に基づいた海洋プランテーション内の生態系予測により、海藻類の生育状況を２ヵ月程度先まで予測することができ、海洋プランテーション全域の監視やメタノール製造生産計画の立案などの管理運用に役立てることができる。
【００５３】
一般に海藻類などをバイオマスとするとき、海藻類の集積作業には過大な人件費がかかり経済性が良くないと言われている。本発明においては、広い海洋域を通信衛星などの情報通信手段を用いて遠隔監視する手段を確保し、小型作業船を無人・自動化するなど標準化して機械化することができ、これにより海藻類の集積作業に伴う人件費は、大幅に削減することが可能である。
【００５４】
本発明海洋プランテーションのバランスを示す例（計算例）  であり、以下の説明は、（Ｂ）段階で部分燃焼ガス化炉を採用した場合である。
（１）海藻類の生育：
海藻類の生長速度（乾燥基準）を、ｍ〔ｔｏｎ／Ｋｍ２・ｄａｙ〕とすると、海洋プランテーション１００ｋｍ×１００ｋｍにおける海藻類収穫量ｘ〔ｔｏｎ／ｙｅａｒ〕は、次のようになる。尚、ここでは、海藻類の栽培は、海洋プランテーションの面積の半分で行うものとしている。
ｘ〔ｔｏｎ／ｙｅａｒ〕
＝（ｍ×１０４）〔ｔｏｎ／Ｋｍ２・ｄａｙ〕×３６５〔ｄａｙ〕×（１／２）
＝１．８２５×１０６×ｍ
【００５５】
海藻類は、栄養が充分あるとき年間平均で１５〜２０ｇ／ｍ２／ｄａｙの割合で生長するといわれており、１５ｇ／ｍ２／ｄａｙ（＝１５ｔｏｎ／Ｋｍ２／ｄａｙ）とすれば、海洋プランテーション１００Ｋｍ×１００Ｋｍでは、
ｘ＝１．８２５×１０６×ｍ＝２．７３７５×１０７〔ｔｏｎ／ｙｅａｒ〕
の海藻類が収穫できる。
【００５６】
（２）メタノールの製造：
集積された原料の海藻類の収穫量Ｘ〔ｔｏｎ／ｙｅａｒ〕を、稼動日数を考慮して１年に３００日で処理するとした場合、単位時間の処理量Ｕ〔ｔｏｎ／ｈ〕は、次のようになる。
Ｕ〔ｔｏｎ／ｈ〕＝ｘ／｛３００×２４｝
＝｛１．８２５×１０６×ｍ｝／｛３００×２４｝
＝２．５３×１０２×ｍ
【００５７】
処理される海藻類のうち、合成ガス製造にα（％）用いたとすると、
合成ガス製造に使われる海藻類量〔ｔｏｎ／ｈ〕＝（α／１００）Ｕ
である。
【００５８】
（３）合成ガス製造に必要な酸素量：
合成ガス製造に必要な酸素量ＱＯは、合成ガス製造に使われる海藻類（ＣＨ２Ｏで代表して計算する）と同モルであるから、次のようになる。
ＱＯ〔ｔｏｎ／ｈ〕＝（３２／３０）×〔（α／１００）Ｕ〕
＝（３２／３０）×〔（α／１００）×（２．５３×１０２ｍ）〕
＝２．７０αｍ
これを容量〔Ｎｍ３／ｈ〕に換算すると、
ＶＯ〔Ｎｍ３／ｈ〕＝〔（２２．４×１０３）／３２〕ＱＯ
＝１．８９×１０３αｍ
【００５９】
（４）合成ガス製造に必要な水蒸気量：
合成ガス製造には、酸素と同モル数の水蒸気（Ｈ２Ｏ）を供給する必要がある。
従って、
ＱＨ２Ｏ〔ｔｏｎ／ｈ〕＝（１８／３２）ＱＯ
＝１．５１９αｍ
【００６０】
（５）メタノール生成量：
乾燥、微粉砕された海藻類（ＣＨ２Ｏ）を原料として、その３０％程度を部分燃焼させて残りの原料を熱分解することにより、発熱量比で６０％、重量比で５０％程度のメタノールを生成することができることから、
メタノールの生成収率を５０％とすれば、
メタノール生成量ＱＭＴ〔ｔｏｎ／ｈ〕＝（０．５）×（２．５３×１０２）×ｍ
となる。
【００６１】
具体的に、α＝３０（％）、ｍ＝１５〔ｔｏｎ／Ｋｍ２・ｄａｙ〕を代入すれば、
ＱＭＴ〔ｔｏｎ／ｈ〕
＝（０．５）×（２．５３×１０２）×（１５）
＝１．８９７×１０３
となる。
【００６２】
（６）酸素製造に必要な電力量：
酸素製造の電力原単位をρＯ〔ｋＷｈ／Ｎｍ３（気体）〕、水製造の電力原単位をρＨ２Ｏ〔ｋＷｈ／ｍ３（液体）〕とすると、酸素と水の製造に必要な電力量ＭＴ〔ｋＷｈ〕は、酸素の製造に必要な電力量ＭＯと、水の製造に必要な電力量ＭＨ２Ｏの和であるから、次のようになる。尚、下記の計算では、最後にρＯ＝０．６９ｋＷｈ／Ｎｍ３、ρＨ２Ｏ＝５．０ｋＷｈ／ｍ３として式に代入して計算した。
酸素と水の製造に必要な電力量ＭＴ〔ｋＷｈ〕＝ＭＯ＋ＭＨ２Ｏ
＝ρＯＶＯ＋ρＨ２ＯＱＨ２Ｏ
＝１．８９×１０３αｍρＯ＋１．５１９αｍρＨ２Ｏ
＝１．３０×１０３αｍ＋７．５９５αｍ
＝１．３０×１０３αｍ〔ｋＷｈ〕
酸素製造に必要な電力量に比べて、水の製造に必要な電力量は非常に少なく、計算上は酸素製造に必要な電力量だけ考えればよいことになる。
【００６３】
具体的に、α＝３０（％）、ｍ＝１５〔ｔｏｎ／Ｋｍ２・ｄａｙ〕を代人すれば、
ＭＴ〔ｋＷｈ〕＝（１．３０×１０３）×（３０）×（１５）
＝５．８５×１０５
５．８５×１０５ｋＷｈ＝５８５ＭＷｈであるから、１グループ当たり２０ＭＷのＭＣＦＣ型燃料電池３基の搭載で、能力的に満たされることになる。なお、本発明の電源供給源は燃料電池の他に、前記メタノール製造工程に設置するタービン発電設備がある。熱収支計算によると、海洋プランテーション全体では、２１０ＭＷｈの電力が回収可能である。二酸化炭素の分離・回収用電源として３０ＭＷｈ程度消費しても１８０ＭＷｈの電力余剰があることから、コンプレッサーやポンプ駆動電力として供給することが充分可能である。
【００６４】
（７）燃料電池発電システムにおけるメタノール消費量：
燃料電池発電システムの発電効率をβ（％）、メタノールの低位発熱量を４，７４５Ｋｃａ１／Ｋｇ（ＭｅＯＨ）、熱の仕事量を１ｋＷｈ＝８６０Ｋｃａ１とすると、燃料電池発電システムでのメタノールの消費量Ｕｍは、次のように計算される。
燃料電池発電システムでのメタノールの消費量Ｕｍ〔ｔｏｎ／ｈ〕
＝｛８６０／〔（β／１００）×（４，７４５×１０３）〕｝×ＭＴ
＝｛８６０／〔（β／１００）×（４，７４５×１０３）〕｝
×｛１．３０×１０３αｍ｝
＝２．３５６×１０×（α／β）ｍ
具体的に、α＝３０（％）、β＝５０（％）、ｍ＝１５〔ｔｏｎ／Ｋｍ２・ｄａｙ〕
を代入すれば、
Ｕｍ〔ｔｏｎ／ｈ〕＝２，３５６×１０×（３０／５０）×１５
＝２１２
これは、メタノール生産量〔１．８９７×１０３ｔｏｎ／ｈ〕の１１％である。
一方、前記のように２０ＭＷのＭＣＦＣ型燃料電池３基とすれば、
Ｕｍ〔ｔｏｎ／ｈ〕
＝｛８６０／〔（β／１００）×（４，７４５×１０３）〕｝×ＭＴ
＝｛８６０／〔（β／１００）×（４，７４５×１０３）〕｝×（６×１０５）
＝２１７
これは、メタノール生産量〔１．８９７×１０３ｔｏｎ／ｈ〕の１１％である。
【００６５】
以上の計算例でも明らかなように、メタノールの生産量は１．８９７×１０３〔ｔｏｎ／ｈ〕であり、１年（３００日として計算）に換算すれば、１，３６５万ｔｏｎとなる。このうち、本発明海洋プランテーションにおける自己消費を１／３程度見込むと、約９００万ｔｏｎが出荷となる。また、水素が出荷される。すなわち、海洋プランテーションの操業を開始するときには、外部からメタノールなどを運んで行う必要があるが、定常状態になれば、海洋プランテーションの中で使用するエネルギーは殆ど調達ができ、かつメタノールと水素が製品として出荷できることとなる。
【００６６】
さらに、本発明では二酸化炭素分離・回収設備において、年間約１，５００万トン（炭素換算で４１０万トン）を回収することが可能である。これを排出権取引市場で販売することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の海洋プランテーションは、大気中の二酸化炭素濃度を減少させる吸収源対策に寄与するとともに、自然の力を利用してメタノール、水素を製造して二酸化炭素の発生を抑制する排出抑制対策にも寄与することができ、温室効果ガス削減対策の本質的な解決策となり、さらに未利用の広大な排他的経済水域（４０５万Ｋｍ２）を有効活用して設置することにより、自前の化石燃料代替エネルギー資源を確保することができることから、エネルギー安全保障政策上、重要な意義を持つことになる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】海洋プランテーションにおける揚水管、およびその周囲の形態を説明する概念図である。
【図２】海洋プランテーションにおける揚水管、およびその周囲の形態を説明する平面概念図である。
【図３】海藻類からのメタノール、水素、二酸化炭素の流れを説明する図である。
【図４】低温ガス化炉によるメタノール製造システムを説明する構成図である。
【符号の説明】
【００６９】
１：海洋プランテーション（１モジュール）
２：揚水管
３：揚水管上端部（中層域の海水流出口）
４：揚水管下端部（中層域の海水流入口）
５：（ネット状結合体を構成する）ロープ
６：海藻類生育用網
７：空間部
８：浮力用ブイ
９：浮力調整ブイ
１０：海藻類
【図１】
2005035967.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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